Лекция №12 Двухтактные каскады Двухтактные каскады При усилении сигналов большой мощности, когда нужно увеличить КПД, однотактные схемы, работающие в классе А, становятся неэффективными. Каскады, работающие в классах В и АВ, обладают меньшими энергетическими потерями, но они создают значительные нелинейные искажения, т. к. усиливают только полуволну сигнала. Если использовать две однотактные схемы, работающие поочередно на одну и ту же нагрузку (двухтактный каскад), то можно устранить этот недостаток. Схемотехника и особенности однотактных каскадов нам уже известны, поэтому исследуем работу двухтактных каскадов. Двухтактный выходной каскад позволяет получать в нагрузке мощность, по крайней мере, вдвое больше по сравнению с выходной мощностью однотактного каскада, выполненного на таком же усилительном элементе. Двухтактные каскады Рассмотрим сначала работу простейшей двухтактной схемы, где с помощью трансформаторов с отводами от средней точки обеспечивается подача противофазных входных и суммирование выходных сигналов. VT1 T1 Iк ' Iп VT2 Iк'' +E T2 Rн При гармонических входных сигналах uвх = Uвх м соs(t) за счет нелинейности проходных характеристик транзистора в выходном токе появятся гармонические составляющие высших порядков и выходные токи оконечных транзисторов могут быть представлены в виде: Iк' = I0+ I1г соs( t) + I2г соs(2 t) + I3г соs(3 t) + I4г соs(4 t)+... Iк'' = I0 + I1г соs( t + ) + I2г соs(2 t + 2) + I3г соs(3 t + 3) + I4г соs(4 t + 4) +..., где I0, I1г, I2г, I3г, I4г... - амплитуды токов гармоник. Двухтактные каскады Так как выходные токи транзисторов двухтактного каскада, действующие в трансформаторе T2, противофазны, имеем iвых = Iк' – Iк'' = 2 I1г соs( t) + 2 I3г соs(3 t) + ... Следовательно, четные гармоники и постоянная составляющая выходного сигнала компенсируются во встречно протекающих выходных токах Iк' и Iк''. Отсутствие постоянной составляющей не приводит к подмагничиванию сердечника трансформатора, а следовательно, не уменьшает его магнитную проницаемость и, как результат, индуктивность. Отсутствие четных гармоник позволяет избавиться от нежелательных составляющих, например, при выполнении выходных каскадов передатчиков. Эти составляющие могут приводить к внеполосным излучениям, создающим помехи радиоприему. Двухтактные каскады В проводе питания протекает сумма токов Iк' и Iк'' Iп = Iк' + Iк'' = 2 I0 + 2 I2г соs(2 t) + 2 I4г соs(4 t) +... Как видно из полученного соотношения, в проводе питания не протекают токи с частотой основного (усиливаемого) сигнала. Они могли бы создавать падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника питания и распространяться по проводам питания на первые каскады. Данное обстоятельство позволяет существенно упростить проектирование цепей фильтрации питающих напряжений, уменьшает вероятность самовозбуждения усилителя. Особенностью двухтактного каскада, работающего в классе В, является нелинейный характер проходной, а также и сквозной динамических характеристик при малых уровнях сигнала, приводящий к появлению искажений типа "ступенька". При малых амплитудах сигнала он попадает на криволинейную часть сквозной динамической характеристики, где отмечается малая крутизна усилительного прибора. При малой крутизне падает усиление и искажается форма выходного сигнала. Чем меньше сигнал, тем больше он искажается. Двухтактные каскады Iвых1 I01 Uбэ2 Uбэ1 I02 Ec2 Eс1 Iвых2 Введение дополнительного напряжения смещения (класс АВ) позволяет устранить это явление. Форма проходной характеристики изменится (показано пунктиром), а через транзисторы VТ1 и VТ2 в отсутствие сигнала потекут токи покоя I01 и I02. Двухтактные каскады В реальных каскадах компенсация продуктов нелинейности четных порядков полностью не происходит, так как практически сложно подобрать идентичными пары транзисторов и обеспечить точное соответствие номиналов элементов в плечах схемы. Уменьшение искажений достигается введением глубокой отрицательной обратной связи. Этой же цели служит использование в двухтактных каскадах транзисторов, включенных по схеме с общим коллектором и, если это возможно, с общей базой. Из-за высокого выходного и низкого входного сопротивления схема с общей базой плохо согласуется с предыдущим каскадом и нагрузкой. Поэтому ее целесообразно использовать только в сочетании с трансформаторами, обеспечивающими согласование сопротивлений соединяемых цепей. Трансформаторные схемы просты по исполнению, удобны в эксплуатации, позволяют получить высокие коэффициенты усиления. Но недостатком их является сравнительно невысокая полоса пропускания (отношение верхней и нижней частот, как правило, не превышает 700...800). Велики и нелинейные искажения. Бестрансформаторные схемы практически лишены этих недостатков. Двухтактный бестрансформаторный каскад Наиболее просто бестрансформаторную схему можно построить с помощью комплементарных транзисторов (с разной структурой и близкими параметрами). В схемах двухтактных бестрансформаторных каскадов поочередная работа транзисторов может достигаться за счет использования транзисторов различной проводимости. Пример одной из таких схем приведен на рисунке. +E Rк Rб1 VT2 Cсв2 VD1 Cсв1 VT3 Rн Cэ Rб2 Rэ Диод VD1 в ней служит для создания напряжения смещения и температурной стабилизации транзисторов VТ2 и VТ3. В приведённой схеме двухтактного каскада с однополярным источником питания связь с нагрузкой осуществляется с помощью разделительного конденсатора. Он препятствует попаданию в нагрузку постоянной составляющей, но вносит значительные частотные искажения и потерю мощности на нижних частотах. При положительном полупериоде входного напряжения коллекторный ток верхнего по схеме транзистора заряжает конденсатор Ссв2 через сопротивление нагрузки. Двухтактный бестрансформаторный каскад Отрицательный полупериод напряжения на выходе VT1 закрывает верхний транзистор двухтактной схемы и открывает нижний. При этом функцию источника питания для нижнего транзистора выполняет разделительная ёмкость. Для перевода каскада из класса В, создающего нелинейные искажения при малых сигналах, в класс АВ между базами транзисторов прикладывают напряжение смещения. Его можно получить за счёт протекания тока через небольшое сопротивление. Для улучшения температурной стабильности каскада это сопротивление должно уменьшать свою величину при увеличении температуры. Такими свойствами обладают терморезисторы и полупроводниковые диоды. На них с ростом температуры напряжение смещения будет уменьшаться, что будет препятствовать увеличению коллекторного тока транзисторов. Рассмотренную схему целесообразно использовать при выходной мощности до 6... 8 Вт. Если полезная мощность будет выше, то ток предоконечного транзистора возрастает настолько, что его мощность рассеяния становится сравнимой с мощностью рассеяния оконечных транзисторов. Кроме того, растут нелинейные искажения, уменьшается входное сопротивление и т. п. В этом случае целесообразно на выходе вместо одиночных транзисторов включать составные, соединенные по схеме Дарлингтона. Двухтактный бестрансформаторный каскад Еще одной проблемой рассмотренной схемы является то, что предоконечный каскад должен развивать большую амплитуду сигнала, чем оконечный, в силу того, что выходные транзисторы включены по схеме с общим коллектором и лишь ослабляют сигнал. Дополнительно часть напряжения падает на сопротивлении эмиттерной термостабилизации предоконечного каскада. Rб1 Rк VT2 Cсв2 VD1 Cсв1 VT3 VT1 Cэ Rб2 Rэ +E Rн Амплитуда сигнала на выходе предоконечного каскада может быть увеличена за счет повышения напряжения его питания. Эта проблема может быть решена за счет подключения выходной цепи транзистора VT1 не к источнику питания, а к заряженному до Uвых макс конденсатору связи с нагрузкой. При максимальном сигнале это напряжение достигает примерно значения 0.5Е; следовательно, тогда напряжение питания предоконечного каскада может доходить до величины 1.5Е. Двухтактный бестрансформаторный каскад Стремление избавиться от емкости связи с нагрузкой привело к разработке схем с двумя источниками питания и точкой соединения на нулевом проводе. В этом случае каждый их комплементарных транзисторов питается от своего источника. +E Rб1 Rк VT2 Rн VD1 Cсв1 VT3 VT1 Cэ Rб2 Rэ -Е Двухтактный бестрансформаторный каскад Графический расчёт двухтактного каскада производится по вольтамперным характеристикам усилительных элементов для одного плеча схемы таким же образом, как и для однотактных каскадов. Влияние другого плеча учитывают с помощью коэффициента асимметрии. Следует, однако, иметь в виду, что в классах В и АВ после закрывания усилительного элемента выходное напряжение продолжает нарастать и достигает удвоенного значения относительно значения в точке покоя. Широкое применение в усилительных устройствах двухтактных каскадов объясняется их достоинствами. Основные из них: - компенсация четных гармоник, вносимых транзисторами, работающими с отсечкой коллекторного тока; - компенсация фона и помех, попадающих от источника питания и других источников помех; - компенсация токов сигнала в питающих проводах; - высокий КПД за счет возможности применения экономичных классов усиления. Возбуждение двухтактных бестрансформаторных каскадов Для работы двухтактного каскада необходимо обеспечить поочерёдное открывание транзисторов в плечах схемы. Эта задача выполняется фазоинверсными схемами. Как указывалось ранее, функции фазоинверсной схемы могут выполнять трансформаторы с отводом от средней точки и транзисторы с различными типами проводимости. Трансформаторы создают значительные частотные и нелинейные искажения и в этом их основной недостаток. Транзисторы с различными типами проводимости, как правило, не обладают идентичностью характеристик, что сказывается на уровне нелинейных искажений и температурной стабильности каскада. Напряжения в коллекторной и эмиттерной цепях транзистора противофазны. Этим пользуются для получения необходимых напряжений возбуждения двухтактных каскадов. Схема, обеспечивающая создание одинаковых противофазных напряжений на этом принципе называется каскадом с разделенной нагрузкой Достоинствами каскада с разделённой нагрузкой являются малые частотные и фазовые искажения, простота схемы. Возбуждение двухтактных бестрансформаторных каскадов +E Rб1 Rк Ссв1 Ссв2 VT1 Cсв3 Rб2 Rэ Rн ' Обозначим сопротивления нагрузок со стороны коллектора и эмиттера через R0' и R0'', где R0' = Rэ Rн' / (Rэ + Rн'), R0'' = Rк Rн'' / (Rк + Rн''). Сопротивление базового делителя Rдел = Rб1 Rб2 / (Rб1 + Rб2). Rн'' Со стороны эмиттерной цепи в каскад вносится последовательная по току отрицательная обратная связь. Воспользовавшись формулой пересчета сопротивлений из эмиттерной цепи в базовую, получим h11эос = h11э + (1 + h21э) R0'. Отсюда коэффициенты усиления по соответствующим выходам К' = (1 + h21э) R0' / h11эос = (1 + h21э) R0' / [h11э+ (1 + h21э) R0'] К'' = h21э R0'' / h11эос = h21э R0'' / [h11э + (1 + h21э)R0'']. При Rк = Rэ и Rн' = Rн'', а также h21э 1, К' К'' 1. Входное сопротивление схемы Rвх = Rдел h11эос / (Rдел + h11эос). Выходное сопротивление по двум выходам Rвых' = Rэ h11б / (Rэ + h11б), Rвых'' = Rк где h11б = [Rc Rдел / (Rc + Rдел) +h11э] / (1+h21э). Возбуждение двухтактных бестрансформаторных каскадов Из полученных соотношений нетрудно заметить недостатки каскада. Коэффициент усиления по напряжению у него меньше единицы. Различаются выходные сопротивления коллекторной и эмиттерной цепей, что ведёт к необходимости элементов согласования с двухтактным каскадом. В противном случае увеличиваются нелинейные искажения. При работе на низкоомную нагрузку (входное сопротивление двухтактного каскада обычно мало) схема с разделённой нагрузкой работает при больших коллекторных токах и больших выходных напряжениях, что сказывается на уровне нелинейных искажений и общем энергопотреблении усилителя. +E Rб1 Rк1 Rк2 Ссв2 Ссв1 VT1 Rб2 Rб3 Ссв3 VT2 Uвых2 Uвых1 Сбл Rэ Rб4 Дифференциальный каскад имеет широкую полосу пропускания, обладает симметрией выходов, имеет усиление по напряжению и току, но более сложен в реализации. В этой схеме транзистор VТ1 изменяет фазу сигнала Uвых1 относительно входного на 180 градусов. Возбуждение двухтактных бестрансформаторных каскадов Транзистор VТ2, включенный по отношению к VT1 по схеме с общей базой, усиливает сигнал, совпадающий по фазе со входным и поступающий из эмиттерной цепи VТ1. Так как каскад с общей базой не изменяет фазы выходного сигнала относительно входного, то Uвых2 будет синфазно с входным напряжением. Сигнал в эмиттерной цепи VТ1 повторяет по величине входной сигнал. Каскад же с общей базой имеет усиление по напряжению такое же, как и каскад с общим эмиттером. Поэтому в результате получаем два одинаковых и противофазных напряжения Uвых1 и Uвых2. Дифференциальный каскад широко используется при построении усилителей постоянного тока. Его свойства подробно изучаются далее в соответствующем разделе курса. Тепловой режим квазилинейных каскадов При конструировании квазилинейных каскадов, особенно с использованием транзисторов, следует обращать особое внимание на тепловой режим усилительных элементов. Допустимая мощность рассеяния транзистора в конечном итоге определяет мощность в нагрузке каскада. Эта мощность будет тем больше, чем интенсивнее отводится тепло от коллекторного перехода. Rпк = Тп Rкр Rрс Rкс = Тс Процесс отвода тепла может быть представлен эквивалентной схемой. В этой схеме: Тп и Тс - допустимая температура перехода и температура окружающей среды, R - сопротивления теплопередачи (в С/Вт), где индексы означают: пк - теплопередача переход-корпус транзистора, кр - корпус - радиатор охлаждения; рс - радиатор-среда; кс - корпус-среда. Значения Тп, Rпк, Rкс приводятся в паспортных данных транзисторов. Тепловой режим квазилинейных каскадов Для маломощных транзисторов указывают лишь тепловое сопротивление переход-среда Rпс = Rпк + Rкс. Величина Rкр определяется тепловым контактом транзистора и радиатора охлаждения. Для уменьшения Rкр поверхности транзистора и радиатора пришлифовывают и покрывают невысыхающей (силиконовой) смазкой. В этом случае допустимая мощность рассеяния транзистора может быть рассчитана по формуле: Ррас.доп. = (Тп – Тс)/(Rпк + Rрс) . Для простейшего радиатора в виде вертикально закрепленной пластины толщиной не менее 1,5 мм площадь пластины (в кв. см) может быть найдена из соотношения: S = 700 / Rрс.
